СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ МЕТОДОМ
ПРОТОННО-КИСЛОРОДНОГО БАЛАНСА
КОЧКАРОВ Ж. А.
Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Нальчик
*****@***ru
Метод электронного баланса легко реализуется при составлении уравнений реакций, когда степени окисления атомных частиц в сложных веществах легко определяются. Но во многих случаях трудности возникают при определении степеней окисления атомных частиц, как в исходных веществах, так и в продуктах реакции. Есть множество реакций, к которым метод электронного баланса не применим.
Метод подбора через подсчет количества атомов в правой и левой частях не всегда дает правильно определенные коэффициенты. Так, в уравнениях реакции
4(C2H5)3N + 36HNO3 = 24CO2 + 48H2O + 6NO2 + 17N2
2(C2H5)3N + 78HNO3 = 12CO2 + 54H2O + 78NO2 + N2
(C2H5)3N + 11HNO3 = 6CO2 + 13H2O + 4NO2 + 4N2
верным является только один из вариантов.
Нами был разработан и реализован метод «протонно-кислородного баланса» (МПКБ), который значительно упрощает процедуру составления уравнений окислительно-восстановительных реакций. Метод не требует определения степеней окисления атомных частиц (допускается молекулярная или ионная запись, когда степени окисления атомных частиц трудно определить), исключает «многоэтажную» запись электронного баланса и
и легко воспринимается.
В соответствии с алгоритмом предложенного метода:
1. В уравнениях полуреакций окисления и восстановления исходные вещества и продукты реакции записывают в молекулярной или ионной формах (если степени окисления атомных частиц в них сложно определить).
2. Устанавливают материальный баланс в каждом уравнении полуреакций окисления и восстановления. При этом недостаток кислорода и водорода в правой или левой частях электронных уравнений восполняют за счет атомных частиц кислорода (O-2) и водорода (Н+) соответственно.
3. Балансируют заряды в каждом уравнении полуреакции окисления и восстановления за счет электронов.
4. Составляют электронный баланс, выравнивая число оторванных у восстановителя и присоединенных окислителем электронов.
5. Найденные коэффициенты ставят перед соответствующими молекулярными (ионными, атомными) частицами и подбирают коэффициенты перед остальными участниками реакции.
В рамках предлагаемого алгоритма проанализируем различные типы окислительно-восстановительных реакций.
Окисление стирола:
KMnO4 + С6Н5СНСН2 + H2SO4 → С6Н5СООН + MnSO4 + CO2 + K2SO4 + H2O
В соответствии с алгоритмом запишем для данной реакции следующую схему трансформации:
С6Н5СНСН2о → С6Н5СООНо + CO2о
Составим ионно-электронное уравнение. Для этого недостаток кислородных частиц в левой части и водородных частиц в правой части восполним за счет атомных частиц кислорода (O-2) и водорода (Н+) соответственно:
С6Н5СНСН2о + 4O-2 → С6Н5СООНо + 2Н+ + CO2о
Далее балансируя заряды за счет электронов получим полуреакцию окисления:
С6Н5СНСН2о + 4O-2 - 10ē = С6Н5СООНо + 2Н+ + CO2о
Запишем теперь следующую схему восстановления
MnO4- → Mn2+
и составим ионно-электронное уравнение. Для этого недостаток кислородных частиц в правой части восполним за счет атомных частиц кислорода (O-2):
MnO4- → Mn2+ + 4O-2
Далее составим баланс зарядов за счет электронов:
MnO4- + 5ē = Mn2+ + 4O-2
Теперь составим электронный баланс:
С6Н5СНСН2о + 4O-2 - 10ē = С6Н5СООН0 + 2Н+ + CO2о 1
MnO4- + 5ē = Mn2+ + 4O-2 2
Наконец запишем уравнение реакции:
2KMnO4 +С6Н5СНСН2 +3H2SO4 = С6Н5СООН + 2MnSO4 + CO2 + K2SO4 +4H2O
Окисление ацетилена до щавелевой кислоты с образованием оксалата:
KMnO4 + С2Н2 + H2O → КООС-СООК + MnO2 + КОН
Для данной реакции запишем следующие схемы трансформации:
С2Н2о → С2О
MnO4- → MnO2о (2)
Недостаток кислорода в левой и правой частях (1) и (2) восполним за счет атомных частиц кислорода (O-2):
С2Н2о + 4O-2 = С2О42- + 2Н+
MnO4- = MnO2о + 2O-2
Составим баланс зарядов за счет электронов и запишем электронный баланс:
С2Н2о + 4O-2 - 8ē = С2О42- + 2Н+ 3 (окисление)
MnO4- + 3ē = MnO2о + 2O-2 8 (восстановление)
Видно, что первая полуреакция отражает процесс окисления ацетилена, а вторая – процесс восстановления перманганат-ионов.
Составим теперь уравнение реакции:
8KMnO4 + 3С2Н2 + 4H2O = 3С2К2О4 + 8MnO2 +8КОН
Аналогично рассмотрены другие реакции с участием органических соединений:
1. Окисление этилена до этандиола –1,2 в нейтральной среде:
3С2Н4 + 2KMnO4 + 4H2O = 3С2Н4 (ОН)2 + 2MnO2 + 2КОН
С2Н4о + 2O-2 + 2Н+ - 2ē → С2Н4(ОН)2о 3 (окисление)
MnO4- + 3ē → MnO2о + 2O-2 2 (восстановление)
2. Окисление этанола до этановой кислоты:
4KMnO4 + 5С2Н5ОН + 6H2SO4 = 5С2Н4О2 + 4MnSO4 + 2K2SO4 + 11H2O
С2Н5ОНо + O-2 - 4ē → С2Н4О2о +2Н+ 5 (окисление)
MnO4- + 5ē → Mn2++ 4O-2 4 (восстановление)
3. Окисление толуола до бензойной кислоты:
6KMnO4 +5С6Н5СН3+ 9H2SO4 = 6С6Н5СООН+ 6MnSO4 + 3K2SO4 +11H2O
С6Н5СН3о + 2O-2 - 6ē → С6Н5СООНо + 2Н+ 5 (окисление)
MnO4- + 5ē → Mn2++ 4O-2 6 (восстановление)
4. Окисление глюкозы до глюконовой кислоты:
С6Н12О6 + 2CuSO4 + 4NaOH = С6Н12О7 + Cu2O+ 2Na2SO4 +2H2O
С6Н12О6о + O-2 - 2ē → С6Н12О7о 1 (окисление)
Cu+2 + 1ē → Cu(восстановление)
5. Восстановление нитробензола до анилина:
С6Н5NО2 + 3Fe + 6HCl(к) = С6Н5NH2 + 3FeCl2 + 2H2O
С6Н5NО2о + 2Н+ + 6ē → С6Н5NH2о + 2O-2 1 (восстановление)
Fe0 - 2ē → Fe(окисление)
6. Окисление триэтиламина:
2(C2H5)3N + 78HNO3 = 12CO2 + 54H2O + 78NO2 + N2
2(C2H5)3N0 + 24O-2 - 78ē = 12CO20 + N20 + 30Н+ 1 окисление
NO3- + 1ē = NO2 + O-2 78 восстановление
Применение метода протонно-кислородного баланса
1. 4CuSCN + 7KIO3 + 14HCI = 4CuSO4 + 7KCI + 4HCN + 7ICI + 5H2O
восст-ль окис-ль
CuSCN0 + Н+ + 4O-2 - 7ē = Cu2+ + SO42- + НCN0 4
IO3- + CI - + 4ē = ICI + 3O-2 7
2. P2I4 + P4 + H2O → PH4I + H3PO4
Запишем первую схему трансформации для данной реакции:
P2I4 → PH4I
Составим материальный баланс, для этого к левой части прибавим P4, а недостаток водорода в левой части восполним за счет ионов водорода:
2P2I4o + P4o + 32H+ → 8PH4Io
Составим баланс зарядов за счет электронов:
2P2I4 o + P4 o + 32H+ + 32ē = 8PH4I o (полуреакция восстановления)
Запишем теперь схему следующей трансформации:
P4o → H3PO4 o
Составим материальный баланс за счет частиц (H+ ) и (O-2 ):
P4o + 12H+ + 16O-2 → 4H3PO4 o
Составим баланс зарядов за счет электронов:
P4o + 12H+ + 16O-2 - 20ē = 4H3PO4 o (полуреакция окисления)
Составим теперь электронный баланс:
P4o + 12H+ + 16O-2 - 20ē = 4H3PO4 o 8 (окисление)
2P2I4 o + P4 o + 32H+ + 32ē = 8PH4I o 5 (восстановление)
Получим уравнение реакции:
10P2I4 + 5P4 + 8P4 + 128H2O = 40PH4I + 32H3PO4
3. Cu2S + 10HNO3 + 2HNO3 = 10NO2 + CuSO4 + Cu(NO3)2 + 6H2O
восс-ль окис-ль солеобр.
2Cu2S0 + 4O2- - 10ē = 2Cu+2 + SO42- 1
NO31- + 1ē = NO20 + O2- 10
4. 3As2S3 + 28HNO3 + 4H2O = 6H3AsO4 + 9H2SO4 + 28NO
восс-ль окис-ль средообр.
As2S30 + 20O2- -28ē = 2AsO4 3- + 3SO42- 3
NO31- + 3ē = NO0 + 2O2- 28
5. 3P4S3 + 38HNO3 + 8H2O = 12H3PO4 + 9H2SO4 + 38NO
восс-ль окис-ль средообр
P4S30 + 28O2- - 38ē = 4PO43- + 3SO42- 3
NO31- + 3ē = NO0 + 2O2- 38
6. 2P4 + 8HClO4(К) + 4H2O = (HPO3)4 + 4H3PO4 + 4Cl2 + 4O2
2P40 + 16H1+ + 28O2- - 40ē = (HPO3)40 + 4H3PO40 1
2ClO41- + 10ē = Cl20 + O20 + 6O-2 4
Применение метода протонно-кислородного баланса к реакциям с
участием нестехиометрических и комплексных соединений
Метод протонно-кислородного баланса применим к реакциям с участием нестехиометрических соединений, к которым метод электронного баланса не может быть применен, поскольку не могут быть определены степени окисления атомных частиц, следовательно, не может быть составлен баланс зарядов:
1. 2Na2S5 + 3О2 = 2Na2SO3(S) + 6S
Na2S50 + 3О-2 - 6ē = Na2SO3(S)0 + 3S 2
О20 + 4ē = 2О-2 3
2. MoC4 + 11O3 = MoO3 + 4CO2 + 11О2
MoC40 + 11О-2 - 22ē = MoO30 + 4CO20 1
O30 + 2ē = О20 + О-2 11
3. Сr7C3 + 27O3 = 7CrO3 + 3CO2 + 27О2
Сr7C30 + 27О-2 -54ē = 7CrO3 + 3CO2 1
O30 + 2ē = О20 + О-2 27
4. 2Mo3N + 11О2 = 6MoO3 + 2NO2
Mo3N0 + 11О-2 - 22ē = 3MoO30 + NO20 2
О20 + 4ē = 2О-2 11
5. FeS8 + 51Cl2 + 64H2O = Fe2(SO4)3 + 13H2SO4 + 102HCl
FeS80 + 32О-2 -51ē = Fe3+ + 8SO42- 2
Cl20 + 2ē = 2Cl - 51
6. W3C + 11O3 = 3WO3 + CO2 + 11О2
W3C0 + 11О-2 -22ē = 3WO30 + CO20 1
O30 + 2ē = О20 + О-2 11
7. 2Al3Ag5 + 6NaOH + 18H2O = 6Na[Al(OH)4] + 9H2
Al3Ag50 + 12О-2 +12H+ -9ē = 3 [Al(OH)4]- + 5Ag0 2
2H2O0 + 2ē = H20 + 2О-2 +2H+ 9
8. Fe4C + 16HNO3 + 12HNO3 = 4Fe(NO3)3 + CO2 + 16NO2 + 14H2O
Fe4C0 + 2О-2 -16ē = 4Fe3+ + CO20 1
NO31- + 1ē = NO20 + О-2 16
9. 2FeS8 + 51Cl2 + 64H2O = Fe2(SO4)3 + 13H2SO4 + 102HCl
FeS80 + 32O2- -51ē = Fe3+ + 8SO42- 2
Cl20 + 2ē = 2Cl1- 51
10. 10[Cr(N2H4CO)6]4[Cr(CN)6]3(р) + 1176KMnO4(р) + 1399H2SO4(р) = 660KNО3 +1176MnSO4 + 35K2Cr2O7 +223K2SO4 + 420CO2 + 1879H2O:
2[Cr(N2H4CO)6]4[Cr(CN)6]30 + 565O2- -1176ē = 132NО31- + 7Cr2O72- + 84CO20 +192Н1+ 5
MnO41- +5ē = Mn2+ + 4O2- 1176
11. 5[Co(NH3)4][Co(CO)4] (р) + 44KMnO4(р) + 66H2SO4(р) = 10CoSO4 + 20KNО3 + 44MnSO4 + 12K2SO4 + 20CO2 + 96H2O:
[Co(NH3)4][Co(CO)4]0 +16O2- - 44ē = 2Co2 + + 4NО31- + 4CO20 + 12Н1+ 5
MnO41- +5ē = Mn2+ + 4O2- 44
Метод протонно-кислородного баланса исключает
«многоэтажную» запись
Для уравнения реакции
4FeS2 + 11О2 = 2Fe2О3 + 8SО2
метод электронного баланса допускает следующую запись:
Fe+2 -1ē = Fe
2S-1 -10ē = 2S+4
О20 +4ē = 2О-2 4 11
Метод протонно-кислородного баланса позволяет записать электронный баланс в виде:
2FeS2 + 11O-2 -22ē = Fe2О30 + 4SО20 2
О20 + 4ē = 2О-2 11
Реакция окисления железа с образованием железной окалины:
3Fe + 2О2 = Fe3О4 (FeО. Fe2О3-смешанно-валентный оксид)
3Fe0 - 8ē = Fe+2 + 2Fe+3 1
О20 + 4ē = 2О-2 2
Раскаленное железо реагирует с водой с образованием двойного оксида:
3Fe + 4H2O = Fe3О4 + 4H2
3Fe0 -8ē = Fe+2 + 2Fe+3 1
2Н+ +2ē = H2 4
Разложение сульфата и нитрата железа (П):
4FeSO4 ® 2Fe2О3 + 4SО2+ О2
Fe+2 + S+6 +1ē = Fe+3 + S+4 4
2О-2 -4ē = О20 1
4Fe(NO3)2® 2Fe2О3 + 8NО2+ О2
Fe+2 + 2N+5 +1ē ® Fe+3 + 2N+4 4
2О-2 -4ē = О20 1
Литература
1.Кочкаров окислительно-восстановительных реакций: Метод протонно-кислородного баланса и классификация ОВР// Науч-метод. Журн. «Химия в Школе», 2007, №9. С.44-47
